Се́йфертовские гала́ктики - спиральные галактики с активными ядрами, спектр излучения которых содержит множество широких ярких полос, что указывает на мощные выбросы газа со скоростями до нескольких тысяч км/с. Впервые описаны в 1943 К. Сейфертом (С. Seyfert).
внеатмосферная астрономия
Энциклопедия Кольера
ВНЕАТМОСФЕРНАЯ АСТРОНОМИЯ - наблюдения астрономических объектов с помощью приборов, поднятых за пределы земной атмосферы на борту геофизических ракет или искусственных спутников. Ее основные разделы - это астрономия высоких энергий (в рентгеновских и гамма-лучах), оптическая и ультрафиолетовая астрономия, инфракрасная астрономия и родившаяся совсем недавно космическая интерферометрия со сверхдлинной базой (см. РАДИОАСТРОНОМИЯ). О прямом изучении объектов Солнечной системы и межпланетного пространства рассказано в статье КОСМИЧЕСКИЙ ЗОНД.
НЕОБХОДИМОСТЬ ВНЕАТМОСФЕРНОЙ АСТРОНОМИИ
Астрономические наблюдения из космоса - неотъемлемая часть современной астрофизики. Звезды, туманности и галактики излучают не только видимый свет, но и радиоволны, инфракрасное, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучение, несущие важнейшую информацию об излучающем объекте. Однако к поверхности Земли, кроме видимого света, доходят только радиоволны и коротковолновое (1-4 мкм) инфракрасное излучение; атмосфера непрозрачна для высокоэнергичного излучения (гамма-, рентгеновского и ультрафиолетового) и почти непрозрачна для длинноволнового инфракрасного света. Поэтому астрономы для исследования этих видов излучения поднимают приборы над поглощающими слоями атмосферы.
См. также
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ. Внеатмосферная астрономия нужна и для некоторых наблюдений в видимом свете. Проходя сквозь атмосферу, свет рассеивается на пылинках, поглощается молекулами озона и воды и преломляется на неоднородностях плотности, в результате чего изображения дрожат и становятся размытыми. В 1980-х и 1990-х годах была создана техника адаптивной оптики, способная в реальном времени изменять форму оптической поверхности (например, зеркала телескопа) для компенсации атмосферного дрожания и размытия. Это существенно повысило четкость изображений у наземных телескопов - до десятых долей угловой секунды. Но лучших результатов достигнуть не удается; к тому же собственное свечение ночной атмосферы и рассеянный в ней свет городских и дорожных огней мешают астрономам изучать объекты низкой поверхностной яркости - туманности и галактики, - даже находясь на отдаленных горных обсерваториях. У телескопов, работающих на орбите, небо гораздо темнее и изображения намного более четкие. Для первых внеатмосферных астрономических наблюдений использовали баллистические ракеты, которые лишь на несколько минут поднимались над плотными слоями атмосферы. Еще в конце 1940-х годов ученые США измерили ультрафиолетовое излучение Солнца, используя захваченные немецкие ракеты "Фау-2", которые запускали на полигоне Уайт-Сэндс (шт. Нью-Мексико). Однако внеатмосферная астрономия реально встала на ноги, когда кратковременные выходы в космос с помощью высотных ракет были дополнены детальными исследованиями с борта орбитальных обсерваторий.
КОНСТРУКЦИИ И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ
Системы. Астрономические спутники во многом похожи на спутники других типов. Источником электроэнергии служат солнечные батареи, а стабилизация поддерживается либо закруткой спутника, либо гироскопами (трехосная стабилизация), которые позволяют лучше управлять ориентацией. Связь с Землей осуществляется по радио либо напрямую, либо через спутник-ретранслятор на геостационарной орбите. Некоторые спутники имеют ракетные двигатели и могут изменять свою орбиту. Современные астрономические обсерватории (наземные и космические) имеют телескопы для сбора и фокусировки света, а также набор приборов, регистрирующих свойства света в виде цифрового изображения или спектра. К тому же орбитальная обсерватория должна иметь систему наведения и удержания телескопа в нужном направлении, для чего используют несколько оптических датчиков (т.е. вспомогательных телескопов), фиксирующих положение спутника относительно звезд.
Сканирование или наведение. Астрономические спутники обычно работают в одном из двух режимов. Они могут систематически сканировать все небо, проводя его полный обзор, а могут по многу часов быть нацелены на один объект, переходя затем к изучению следующего. В первые годы спутниковой астрономии выбором объектов изучения занимался коллектив, создающий спутник, но с конца 1970-х годов программы наблюдений составляются по конкурирующим заявкам астрономов, как это принято в наземных обсерваториях.
Выбор орбиты. Орбиты большинства спутников проходят либо в нескольких сотнях километров от поверхности Земли, либо на расстоянии в десятки тысяч километров, чтобы избежать самых интенсивных областей радиационных поясов Земли. Поскольку астрономические детекторы чрезвычайно чувствительны к радиационной обстановке, их отключают, когда спутник проходит сквозь области высокой радиации. Для спутников на низких орбитах наибольшую проблему представляет район Южной атлантической аномалии, где радиационный пояс ближе всего подходит к поверхности Земли. Другим фактором при выборе орбиты является удобство наблюдений и обслуживания. Спутником на низкой орбите сложнее управлять, поскольку Земля часто закрывает от него объект наблюдения. С другой стороны, для вывода спутника на высокую орбиту нужна более мощная ракета, и оттуда его нельзя вернуть или отремонтировать с помощью космического челнока.
Контроль наведения. Астрономический спутник, предназначенный для получения изображений с разрешением лучше одной угловой секунды, требует значительно более точного управления наведением, чем большинство других космических аппаратов. Когда, переходя к наблюдению следующей цели, спутник поворачивается вокруг осей ориентации, система контроля должна следить, чтобы в поле зрения телескопа не попали Солнце или Луна, которые могут оказаться слишком яркими для бортовых чувствительных приборов. В то же время панели солнечных батарей должны быть постоянно ориентированы на Солнце. Наконец, в поле зрения оптических датчиков должно попадать достаточно известных звезд, чтобы можно было убедиться в правильности наведения на цель главного телескопа. Выполнение всех этих требований заметно ограничивает периоды времени, когда можно наблюдать тот или иной объект.
Работа типичной космической обсерватории. Спутник ROSAT можно рассматривать как типичную космическую обсерваторию. Этот проект родился в Германии, а позже к нему присоединились США и Великобритания. На спутнике был установлен рентгеновский телескоп с тремя детекторами и экспериментальный ультрафиолетовый телескоп жесткого диапазона. Один из рентгеновских детекторов, сделанный в США, давал четкое изображение наблюдаемого источника, а два других, разработанные в Германии, давали менее четкую картину, но зато фиксировали распределение энергии в излучении. Британский ультрафиолетовый телескоп впервые наблюдал небо в экстремально жестком диапазоне этого излучения. ROSAT был запущен 1 июня 1990 с мыса Канаверал (шт. Флорида) ракетой Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА) США "Дельта-2" на круговую орбиту высотой 570 км. Это достаточно высоко, чтобы обеспечить существование спутника в течение 10 лет, но и достаточно низко, чтобы влияние радиационных поясов земной магнитосферы не смогло повредить его чувствительные приборы. Несколько недель длился обычный этап проверки, когда наблюдались либо хорошо изученные источники для настройки и калибровки аппаратуры, либо объекты, представляющие исключительный интерес на тот случай, если спутник преждевременно выйдет из строя. Затем ROSAT перешел к этапу приглашенных наблюдателей, имеющему годичный цикл. Перед началом каждого цикла астрономы присылают руководству проекта заявки, в которых описывают, какие наблюдения они хотели бы провести и какие результаты при этом ожидают получить. После отбора наиболее интересных заявок специальная компьютерная программа составляет расписание наблюдений с учетом ограничений по положению и ориентации спутника на орбите. Сами астрономы получают по почте данные на магнитной ленте после того, как наблюдения проведены и результаты их предварительно обработаны специалистами из центра управления космическим телескопом. Такая организация позволяет тем астрономам, кто не является узким специалистом по внеатмосферным наблюдениям, использовать данные различных космических обсерваторий, не вникая подолгу в технические детали наблюдений. Через год после того, как астроном получил свои данные, их помещают в архив для всеобщего использования, откуда любой ученый может взять изображения и спектры, исследовать их и опубликовать то новое, что ему удалось обнаружить.
НАБЛЮДЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ДИАПАЗОНАХ
Оптическая и ультрафиолетовая астрономия. IUE. Расцвет ультрафиолетовой астрономии, исследующей излучение в диапазоне от 100 до 3000 , начался с запуска 26 января 1978 спутника IUE (International Ultraviolet Explorer), созданного НАСА, Европейским космическим агентством (EКA) и Великобританией. Спутник имел телескоп с диаметром зеркала 45 см и четыре ультрафиолетовых спектрографа и мог изучать объекты до 16-й звездной величины. Близкая к геостационарной орбита IUE обеспечивала сканирование Атлантики; до 1995 управление спутником 16 ч в сутки шло из Годдардского космического центра в Гринбелте (шт. Мэриленд, США), а оставшиеся 8 ч - с радиоастрономической станции EКA под Мадридом (Испания). 1 октября 1995 управление полностью перешло к EКA. Поскольку имелся постоянный контакт со спутником, астрономы могли управлять наблюдениями в реальном времени, выбирать время экспозиции и порядок наблюдения объектов. Такой гибкости обычно не бывает при работе со спутниками на низких орбитах, для которых требуется заранее составлять программу наблюдений. IUE предназначался для работы в течение шести месяцев, но успешно функционировал более 18 лет, до 30 сентября 1996, когда был отключен из-за финансовых проблем EКA. Спутник провел около 100 тыс. наблюдений 9300 объектов, архив которых доступен по компьютерным сетям всем астрономам мира. Среди важнейших результатов IUE - изучение хромосфер горячих звезд, измерение скорости потери вещества массивными звездами, определение температуры белых карликов, изучение квазаров и скорости звездообразования в галактиках.
"Хаббл". Когда IUE еще только был запущен, НАСА и EКA уже готовили ему значительно более мощного преемника - космический телескоп им. Хаббла. Имея зеркало диаметром 2,4 м, он должен был получать изображения объектов и проводить их спектральные измерения. Запланированный на 1983 запуск был отложен на 7 лет, вначале из-за задержки проекта, а затем из-за катастрофы космического корабля "Челленджер" в 1986. Вскоре после того, как 25 апреля 1990 КК "Дискавери" был выведен на орбиту, астрономы выяснили, что зеркалу телескопа придана неправильная форма, что оно имеет сильную сферическую аберрацию и дает размытые изображения. Были и другие серьезные проблемы. Неверно спроектированные солнечные батареи каждый раз при переходе спутника с теневого участка орбиты на солнечный начинали вибрировать, вызывая дрожания телескопа, которые система его наведения не могла компенсировать. От большинства запланированных для "Хаббла" программ пришлось отказаться или урезать их. Спектральные измерения требовали времени в несколько раз больше расчетного. Четкость некоторых изображений удавалось доводить до расчетной в 0,1 угловой секунды, но только после сложной компьютерной обработки. Способность "Хаббла" получать изображения слабых звезд в других галактиках была под сомнением. Во время ремонтной экспедиции 2-13 декабря 1993 четверо астронавтов заменили панели солнечных батарей и установили новую камеру и корректирующие линзы.
См. также КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ "ШАТТЛ". После этого телескоп стал получать данные, недоступные любому другому инструменту. До 1997 на "Хаббле" использовались широкоугольная (планетная) камера и камера слабых объектов (FOC), а также спектрограф слабых объектов и Годдардовский спектрограф высокого разрешения (GHRS). Камера FOC получает ультрафиолетовые изображения, а прибор GHRS - спектры сверхвысокого разрешения. Во время второго полета к телескопу (11-21 февраля 1997) астронавты "Дискавери" взамен спектрографа слабых объектов и GHRS установили инфракрасную камеру с многообъектным спектрометром и полевой спектрограф, работающий в диапазоне от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного излучения. Следующий полет к "Хабблу" для установки на нем нового оборудования планируется в районе 2000, чтобы обеспечить ему лидирующее положение и в 21 в.
Другие проекты. Наблюдения с корабля "Аполлон", участвовавшего в программе "Аполлон - Союз" (15-24 июля 1975), и с корабля "Колумбия" (12-18 января 1986) дали противоречивые сведения об ультрафиолетовом фоновом излучении: либо чрезвычайно темное ультрафиолетовое небо со слабым вкладом от далеких галактик, либо на нем есть яркие пятна из-за рассеянного пылинками излучения звезд Галактики. Запущенный 8 августа 1989 астрометрический спутник EКA "Гиппарх" при отсутствии атмосферного размытия изображений смог чрезвычайно точно измерить положения, движения, расстояния и яркость сотен тысяч звезд. Анализ этих данных дает астрофизике твердый фундамент, ибо наши знания о далеких звездах основаны на сравнении с их близкими аналогами. Два полета обсерватории ASTRO на борту кораблей "Колумбия" (2-11 декабря 1990) и "Индевор" (2-18 мая 1995) позволили провести ультрафиолетовые наблюдения в более коротковолновом диапазоне, чем на космическом телескопе им. Хаббла, и получить широкоформатные изображения неба в дополнение к маленьким областям, детально изученным с "Хаббла". Ультрафиолетовые спектрометры межпланетных зондов "Вояджер" работали с высокой чувствительностью на краю Солнечной системы, в отсутствие рассеянного солнечного света. Запущенный 7 июня 1992 спутник EUE провел обзор неба в диапазоне короче 900 , где Галактика непрозрачна и можно видеть только ближайшие источники. Однако в области короче 100 межзвездный газ вновь становится прозрачным и сквозь него можно наблюдать некоторые внегалактические источники. Еще более короткие волны - это мир рентгеновской астрономии.
Рентгеновская астрономия. Рентгеновская астрономия исследует излучение объектов в диапазоне от 0,1 до нескольких сотен кэВ. В мягком рентгеновском диапазоне (0,1-2 кэВ) излучение еще заметно поглощается межзвездным газом, а в более жестком диапазоне (2-200 кэВ) поглощение несущественно.
Первые обзоры. Первые рентгеновские спутники имели пропорциональные счетчики для регистрации жесткого рентгеновского излучения из космоса, но у них не было фокусирующих телескопов. Поэтому астрономы лишь приблизительно могли определять направление на яркие источники. Первые обзоры неба, показавшие, что главными рентгеновскими источниками служат двойные звезды, ядра активных галактик и скопления галактик, провели спутники "Ухуру" (создан НАСА и запущен 12 декабря 1970), "Ариель-5" (Великобритания, 15 октября 1974) и более мощный HEAO-1 (НАСА, 12 августа 1977).
"Эйнштейн". Спутник HEAO-2, известный как обсерватория "Эйнштейн" (НАСА, 13 ноября 1978), имел первый фокусирующий рентгеновский телескоп для исследования объектов вне Солнечной системы. Излучение фокусировалось при косом падении на зеркало, составленное из гиперболоидов и параболоидов. Сфокусированное ими излучение в большинстве наблюдений направлялось на изображающий пропорциональный счетчик (IPC), имевший проволочную сетку. Попавший в счетчик рентгеновский квант рождал облачко электронов, положение и мощность которого определялись по току в сетке. На "Эйнштейне" был и другой детектор изображений, а также спектрометры, но высокая чувствительность IPC сделала его самым полезным прибором. "Эйнштейн" исследовал структуру обнаруженных до него скоплений галактик и остатков сверхновых, а также открыл значительно более слабые рентгеновские источники, например, обычные звезды. Благодаря "Эйнштейну", получившему более 4000 изображений источников, рентгеновская астрономия стала зрелой наукой.
Другие проекты. Вслед за успешно поработавшим "Эйнштейном" летали европейский EXOSAT (запущен 26 мая 1983), японский "Дзинга" (запущен 5 февраля 1987) и описанный выше ROSAT, завершившие обзор неба в мягком рентгеновском диапазоне. Японский аппарат ASCA, запущенный 20 февраля 1993, впервые оснащен рентгеновской ПЗС-камерой, способной определять энергию фотонов, создающих изображение.
РЕНТГЕНОВСКИЙ СПУТНИК AXAF (Advanced X-ray Astrophysics Facility), запущенный в 1998.
Рентгеновский телескоп спутника AXAF, запущенного в конце 1998, имеет разрешение менее одной угловой секунды, что не хуже, чем у большинства наземных оптических телескопов. На спутнике установлены современные фотокамеры и спектрографы. В 1999 ЕКА вывело на орбиту обсерваторию XMM для изучения спектров слабых источников. Описанные выше рентгеновские спутники наблюдают излучение в диапазоне от 0,1 до 10 кэВ. Для получения изображений в диапазоне от 10 до 1000 кэВ используются телескопы с так называемой кодированной маской. Один из наиболее удачных - французский прибор SIGMA, основной инструмент российской обсерватории "Гранат" (запущена 1 декабря 1989), получивший в жестком рентгеновском и мягком гамма-диапазонах изображения интереснейших источников, включая источник в центре Галактики, излучение которого вызвано аннигиляцией электронов и позитронов.
Гамма-астрономия. Гамма-излучение состоит из фотонов с большей энергией, чем рентгеновское. Детекторами гамма-лучей, как правило, служат либо сцинтилляторы (в которых вещество поглощает гамма-кванты, испуская оптические фотоны), либо искровые камеры (в которых высокое напряжение вызывает искровые пробои в тех местах, где гамма-квант взаимодействует с заполняющим камеру газом). Гамма-астрономия низких энергий (от 200 кэВ до 10 МэВ) в основном изучает источники гамма-вспышек (продолжительностью несколько секунд). Эти источники были открыты спутниками "Вела" США, запущенными в 1963-1970 для контроля за Договором по ограничению ядерных испытаний (1963) и обнаружения незаконных ядерных взрывов. В 1990-х годах эксперимент BATSE на обсерватории "Комптон" (см. ниже) выявил сотни таких вспышек и показал, что они наблюдаются в произвольных местах по всему небу и, по-видимому, никогда не повторяются. Это очень затрудняет их исследование.
См. также ВОЕННО-КОСМИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ.
Сначала астрономы думали, что причиной этих вспышек служат взрывы на поверхности близких нейтронных звезд, но это предположение не подтвердилось. К 1995 мнения разделились: одни считают, что вспышки связаны с нейтронными звездами неизвестной ранее популяции протяженного галактического гало, простирающегося почти до галактики в Андромеде, а другие полагают, что это катастрофические события во внегалактических объектах на больших красных смещениях. Гамма-астрономия высоких энергий (выше 10 МэВ) в основном изучает долгоживущие точечные источники и диффузное излучение. Немало таких источников открыл спутник EКA "Cos-B" (запущен 9 августа 1975), а более глубокие исследования в этой области начались после запуска 7 апреля 1991 с помощью КК "Атлантис" обсерватории "Комптон" с четырьмя комплексами приборов: BATSE, OSSE, COMPTEL и EGRET. Приборы OSSE и COMPTEL наблюдают гамма-лучи средней энергии (МэВ). Эксперимент EGRET показал, что в области энергий около 100 МэВ многие источники связаны с радиояркими квазарами, которые выбрасывают двойные струи вещества почти со скоростью света. Особенно мощными источниками жестких гамма-лучей являются квазары, выбрасывающие свои струи почти точно в направлении Земли. Точечными гамма-источниками служат также одиночные нейтронные звезды.
См. также ГАММА-АСТРОНОМИЯ.
ГАММА-ОБСЕРВАТОРИЯ "КОМПТОН" (GRO, Gamma-ray observatory) в полете 4 ноября 1991 над Калифорнией.
Инфракрасная астрономия. Инфракрасное излучение испускают холодный газ и космическая пыль при температуре от 1000 К и ниже, вплоть до нескольких градусов над абсолютным нулем. Поэтому отличительной чертой ИК-телескопов является то, что сам телескоп и его детекторы должны быть охлаждены до очень низкой температуры, часто лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. Это достигается применением пассивного охлаждения в дюарах с жидким гелием. Продолжительность работы астрономического ИК-спутника сейчас достигает года, максимум - двух лет, поскольку жидкий гелий испаряется.
УЧАСТОК МЛЕЧНОГО ПУТИ, сфотографированный наземным оптическим телескопом (вверху) и инфракрасным телескопом спутника IRAS (внизу).
Первый полный обзор инфракрасного неба провел астрономический ИК-спутник IRAS (запущен NASA 26 января 1983), получивший изображения неба, по которым был составлен каталог нескольких сотен тысяч инфракрасных источников. Яркость этих источников была измерена на волнах 12, 25, 60 и 100 мкм. Хотя IRAS работал недолго, его влияние на астрономию оказалось огромным, а архив его наблюдений до сих пор служит важнейшим источником данных. До IRAS инфракрасные наблюдения в основном проводили с высотных ракет, запускавшихся Геофизической лабораторией ВВС США на полигоне Уайт-Сэндс. С помощью этих наблюдений были обнаружены области звездообразования и яркие звезды нашей Галактики. Каталог точечных источников IRAS включает десятки тысяч нормальных звезд и тысячи близких спиральных галактик. Преемником IRAS стала "Инфракрасная космическая обсерватория" (ISO), запущенная ESA 17 ноября 1995 и проработавшая до апреля 1998, когда полностью исчерпался запас жидкого гелия. Этот спутник изучал отдельные источники в диапазоне от 3 до 200 мкм с более высокими чувствительностью и угловым разрешением, чем IRAS. Охлаждаемый жидким гелием спутник для исследования космического фона COBE (запущен 18 ноября 1989) изучал все небо с низким угловым разрешением, но очень высокой чувствительностью и точностью. Он измерил уровень фонового излучения во всех направлениях в диапазоне волн от 2 мкм до нескольких миллиметров. COBE определил температуру микроволнового фонового излучения и подтвердил его чернотельный спектр, предсказанный космологической теорией Большого взрыва (см. ниже Результаты наблюдений).
Космическая радиоинтерферометрия. Быстрый прогресс радиоастрономии начался после Второй мировой войны, когда радары были обращены к небу. Но для получения изображений длинноволновых радиоисточников с высоким угловым разрешением требовались гигантские радиотелескопы. Астрономы Кембриджского университета в 1950-х и 1960-х годах разработали метод апертурного синтеза, позволяющий объединить сигналы от нескольких удаленных друг от друга радиотелескопов и получить разрешающую силу как у одного огромного инструмента. К 1980-м годам телескопы разных частей света объединились в единую систему размером с Землю, работая по принципу интерферометра с очень большой базой (VLBI). Разрешение можно еще повысить, добавив к этой системе телескопы на высоких околоземных орбитах или на орбите вокруг Солнца. Первые эксперименты по космической радиоинтерферометрии VLBI проводились в 1980-х годах на советской орбитальной станции "Салют-6" и с помощью американского спутника связи TDRS-1. Первым полноценным телескопом для космической радиоинтерферометрии стал японский "Харука" (HALCA) диаметром 8 м. Он выведен на орбиту 12 февраля 1997 и используется для проведения интерферометрических наблюдений, база которых превышает диаметр Земли в 2,5 раза. Спутники используются также для изучения очень длинных радиоволн, излучаемых Солнцем, магнитосферами планет-гигантов и межзвездной средой. Поверхности Земли эти волны не достигают, поскольку отражаются от ионосферы. Поэтому "Эксплорер-49" с аппаратурой для регистрации сверхдлинных волн был запущен 10 июня 1973 на орбиту вокруг Луны. Чтобы укрыться от помех, возможно, вскоре вся радиоастрономия переместится на обратную сторону Луны и будет использовать наш естественный спутник как экран от земных радиопередатчиков.
См. также РАДИОАСТРОНОМИЯ.
Наблюдения Солнца. Солнце настолько ярче любого другого астрономического объекта, что от него ослепнет любой детектор у описанных выше спутников. Поэтому солнечные обсерватории используют телескопы меньшего диаметра и сильнее расщепляют свет для получения более высокого спектрального разрешения. Внеатмосферные наблюдения ультрафиолетового и рентгеновского излучения Солнца позволяют изучать структуру его верхней атмосферы и энергетическую активность короны. Часто на метеорологических спутниках устанавливают небольшие рентгеновские детекторы для регистрации солнечных вспышек, которые могут выбрасывать плазму в потоки солнечного ветра и влиять на земную ионосферу.
См. также МЕТЕОРОЛОГИЯ И КЛИМАТОЛОГИЯ. Первые внеатмосферные эксперименты НАСА по научному изучению Солнца, а не просто для регистрации его вспышек, проводились на восьми Солнечных орбитальных обсерваториях OSO. Орбитальная станция "Скайлэб" имела несколько солнечных телескопов, среди которых были первые инструменты для получения рентгеновских изображений. OSO-7 и "Скайлэб" обнаружили выбросы вещества из короны, часто связанные с солнечными вспышками, когда десятки миллиардов тонн солнечной плазмы впрыскиваются в межпланетную плазму. Спутник ВМС США P78-1 наблюдал солнечную корону, пока не был уничтожен Военно-воздушными силами США в 1985 при испытании противоспутникового оружия. Спутник НАСА SMM изучал Солнце в период его максимальной активности, но испортился всего через год после запуска. Экспедиция на КК "Челленджер" починила его, и он исправно работал до следующего солнечного максимума. Эстафету от SMM принял японский "Йоко" ("солнечный луч"), который ежедневно передавал четкие рентгеновские изображения, показывающие вспышки и горячие пятна в короне.
См. также КОСМИЧЕСКИЙ КОРАБЛЬ "ШАТТЛ". Наблюдения ультрафиолетового излучения высокоширотных областей солнечной короны проводились маленьким спутником "Спартан-201" в те дни, когда межпланетный зонд EКA "Улисс" пролетал над южным и северным полюсами Солнца. См. также КОСМИЧЕСКИЙ ЗОНД. Объединенными усилиями EКA и НАСА создана самая мощная из космических солнечных обсерваторий - автоматическая станция SOHO (запущена 2 декабря 1995). Она работает в районе точки Лагранжа L1 системы Солнце - Земля, т.е. в том месте прямой, соединяющей Солнцу и Землю, где под действием их противоположно направленных притяжений станция оборачивается вокруг Солнца синхронно с Землей. Она ежедневно передает на Землю десятки высококачественных изображений Солнца в широком диапазоне спектра.
РЕЗУЛЬТАТЫ НАБЛЮДЕНИЙ
Наблюдения наземных и космических обсерваторий дополняют друг друга и, как правило, совместно обеспечивают успех в каждой конкретной области астрономии. Ниже рассказано о некоторых достижениях, для которых внеатмосферные наблюдения были особенно важны.
Космология. Космология исследует Вселенную как целое.
См. также КОСМОЛОГИЯ.
Фоновое излучение. Одним из важнейших результатов в космологии 1990-х годов стало исследование спутником COBE фонового микроволнового излучения. Его открыли в 1960-х годах и считали излучением, свободно распространяющимся по Вселенной с того времени, как вещество после Большого взрыва остыло и стало прозрачным (эпоха разделения вещества и излучения). Теория предсказывает, что распределение энергии этого реликтового излучения по длинам волн должно быть представлено кривой, описывающей излучение абсолютно черного тела. К тому же это излучение должно иметь одинаковую интенсивность во всех направлениях на небе, если не считать мелких флуктуаций в сотые доли процента, которые должны наблюдаться в тех местах, где в эпоху разделения уже образовались уплотнения вещества, ставшие в дальнейшем галактиками и скоплениями галактик. COBE впервые показал с высокой точностью, что спектр реликтового излучения действительно чернотельный в широком диапазоне длин волн и что небольшие флуктуации, по-видимому, существуют, как и предсказывает теория Большого взрыва. Основные свойства Вселенной и шкала космических расстояний. Измеряя расстояния до объектов, чей свет добирался до нас большую часть жизни Вселенной, и применяя космологическую модель Фридмана - Робертсона - Уолкера, входящую в теорию Большого взрыва, астрономы рассчитывают измерить возраст Вселенной и среднюю плотность ее вещества. В 1960-х годах, когда разворачивалась работа, решение этой классической проблемы космологии казалось в принципе простым. Но на практике оно потребовало глубоких знаний о природе тех объектов, расстояние до которых измерялось. Сначала астрономы надеялись, что космический телескоп "Хаббл" позволит быстро решить проблему, но к середине 1990-х годов выяснилось, что для окончательного решения потребуется много дополнительной работы. Тем не менее после починки в 1993 "Хаббл" позволяет очень точно измерять расстояния до близких галактик, решая таким образом важную промежуточную задачу.
Межгалактическое вещество. Исследование поглощения света далеких квазаров (см. ниже) в газе, встречающемся по пути от квазара до Земли, стало важной областью космологии. Так, обнаружилось существование небольших облаков водорода, вероятно, находящихся в гало молодых галактик. Эти облака, принадлежащие далеким галактикам, можно наблюдать с помощью наземных телескопов, поскольку их ультрафиолетовые линии поглощения из-за красного смещения попадают в оптическую область спектра. Но менее далекие облака можно наблюдать только с орбиты; изучить их очень важно, поскольку у близких облаков легче заметить некоторые сопутствующие проявления, такие, как слабые оптические линии излучения. Поглощение в спектре далекого квазара, измеренное "Хабблом", и другого квазара, измеренное ультрафиолетовым телескопом во время полета обсерватории "Астро-2" на КК "Индевор" 2-18 марта 1995, указывает на существование межгалактического вещества, которое астрономы уже давно искали, ибо подозревали, что чистый водородо-гелиевый газ остался с эпохи Большого взрыва и сейчас равномерно заполняет Вселенную.
Квазары и активные ядра галактик. У некоторых галактик есть компактный и мощный источник излучения в самом центре - в ядре; по своей природе он отличается от звезд, звездных скоплений и туманностей, составляющих основную часть галактики. Эти источники, названные активными галактическими ядрами (АГЯ), светят нетепловым излучением в широком диапазоне энергий, а их спектр указывает, что движение газа в них происходит со скоростью в несколько процентов от скорости света. Существует много типов АГЯ, свойства которых различаются в деталях. У сейфертовских галактик АГЯ могут излучать столько же энергии, сколько вся остальная галактика. Другие АГЯ, называемые квазарами, могут быть такими мощными, что родительская галактика почти неразличима в ярком свете ее активного ядра. Наблюдения, проведенные в 1970-х годах рентгеновскими спутниками "Ариель-5", HEAO-1 и "Эйнштейн", показали, что сейфертовские галактики и квазары являются также мощными переменными рентгеновскими источниками. Наблюдения IUE позволили изучить быстро движущийся газ вблизи АГЯ, а IRAS установил, что квазары еще и яркие инфракрасные источники. Только при помощи внеатмосферных наблюдений удалось обнаружить, в каком широком диапазоне энергий излучают активные ядра галактик, и измерить распределение их энергии вдоль этого диапазона. Рентгеновские наблюдения позволили обнаружить многие ранее не известные АГЯ. Данные IRAS указали, что инфракрасное излучение квазаров испускает теплая межзвездная пыль, окружающая ядро. Внимательное наблюдение за вариациями ультрафиолетового излучения позволило понять, что светящиеся газовые облака, окружающие активные ядра, имеют меньший размер и более сложную структуру, чем казалось вначале. На изображениях близких АГЯ, полученных "Хабблом", центральный источник окружен диском, вдоль оси которого видны конусы излучения. Изображения и спектры радиогалактики М 87, переданные "Хабблом", показали, что из вращающегося диска, как и ожидали теоретики, с большой скоростью выбрасывается струя вещества - джет. Все это укрепляет мнение, что удивительное разнообразие наблюдаемых проявлений у АГЯ и квазаров отчасти объясняется различием в углах наклона их дисков по отношению к земному наблюдателю. Квазары, у которых джет и диск повернуты прямо на наблюдателя, выглядят иначе, чем те, у которых диск виден с ребра. Это различие отчетливо проявляется в гамма-диапазоне: открытые "Комптоном" источники, по-видимому, развернуты точно на нас и поэтому особенно ярки из-за релятивистских эффектов. Таким образом, результаты внеатмосферных наблюдений подтверждают, хотя и не доказывают пока широко распространенную теорию, что квазары и активные галактические ядра черпают энергию из аккреции вещества на гигантскую черную дыру, масса которой может в миллиарды раз превосходить массу Солнца.
См. также ЧЕРНАЯ ДЫРА; КВАЗАР.
Галактики. IRAS обнаружил сверхъяркие инфракрасные галактики, испытывающие грандиозные вспышки звездообразования, какие прежде не наблюдались. Это заставило вообще по-новому взглянуть на эволюцию галактик. Полученные "Хабблом" изображения галактик с большим красным смещением демонстрируют, что несколько миллиардов лет назад многие из галактик, вероятно, все еще находились в процессе формирования.
ЛОБОВОЕ СТОЛКНОВЕНИЕ В КОСМОСЕ ПРИВОДИТ К РОЖДЕНИЮ ЗВЕЗД. Редкое и захватывающее лобовое столкновение двух галактик запечатлел на цветном снимке (справа) космический телескоп им. Хаббла. Объект, расположенный на расстоянии 500 млн. световых лет в направлении созвездия Скульптор, называют Тележное Колесо. Яркое кольцо возникло в результате пролета маленькой галактики - одной из двух, находящихся справа. Столкновение привело к гигантскому выделению энергии и заставило газ и пыль раздвигаться со скоростью 320 тыс. км/час. Эта расширяющаяся волна с
Полезные сервисы
галактики
Энциклопедия Кольера
ГАЛАКТИКИ - "внегалактические туманности" или "островные Вселенные", гигантские звездные системы, содержащие также межзвездный газ и пыль. Солнечная система входит в нашу Галактику - Млечный Путь. Все космическое пространство до пределов, куда могут проникнуть мощнейшие телескопы, заполнено галактиками. Астрономы насчитывают их не менее миллиарда. Ближайшая галактика находится от нас на расстоянии ок. 1 млн. св. лет (1019 км), а до самых удаленных галактик, зарегистрированных телескопами, - миллиарды световых лет. Исследование галактик - одна из самых грандиозных задач астрономии.
См. также МЛЕЧНЫЙ ПУТЬ; ТУМАННОСТИ.
Историческая справка. Ярчайшие и ближайшие к нам внешние галактики - Магеллановы Облака - видны невооруженным глазом на южном полушарии неба и были известны арабам еще в 11 в., равно как и ярчайшая галактика северного полушария - Большая туманность в Андромеде. С переоткрытия этой туманности в 1612 при помощи телескопа немецким астрономом С. Мариусом (1570-1624) началось научное изучение галактик, туманностей и звездных скоплений. Немало туманностей было обнаружено различными астрономами в 17 и 18 вв.; тогда их считали облаками светящегося газа. Представление о звездных системах за пределом Галактики впервые обсуждали философы и астрономы 18 в.: Э.Сведенборг (1688-1772) в Швеции, Т.Райт (1711-1786) в Англии, И.Кант (1724-1804) в Пруссии, И.Ламберт (1728-1777) в Эльзасе и В.Гершель (1738-1822) в Англии. Однако лишь в первой четверти 20 в. существование "островных Вселенных" было однозначно доказано в основном благодаря работам американских астрономов Г.Кертиса (1872-1942) и Э.Хаббла (1889-1953). Они доказали, что расстояния до наиболее ярких, а значит, ближайших "белых туманностей" значительно превосходят размер нашей Галактики. За период с 1924 по 1936 Хаббл продвинул границу исследования галактик от ближайших систем до предела возможностей 2,5-метрового телескопа обсерватории Маунт-Вилсон, т.е.
до нескольких сотен миллионов световых лет. В 1929 Хаббл открыл зависимость между расстоянием до галактики и скоростью ее движения. Эта зависимость, закон Хаббла, стала наблюдательной основой современной космологии. После окончания Второй мировой войны началось активное изучение галактик с помощью новых крупных телескопов с электронными усилителями света, автоматических измерительных машин и компьютеров. Обнаружение радиоизлучения нашей и других галактик дало новую возможность для изучения Вселенной и привело к открытию радиогалактик, квазаров и других проявлений активности в ядрах галактик. Внеатмосферные наблюдения с борта геофизических ракет и спутников позволили обнаружить рентгеновское излучение из ядер активных галактик и скоплений галактик.
См. также
Каталоги галактик. Первый каталог "туманностей" был опубликован в 1782 французским астрономом Ш. Мессье (1730-1817). В этот список попали как звездные скопления и газовые туманности нашей Галактики, так и внегалактические объекты. Номера объектов по каталогу Мессье используются до сих пор; например, Мессье 31 (М 31) - это знаменитая Туманность Андромеды, ближайшая крупная галактика, наблюдаемая в созвездии Андромеды. Систематический обзор неба, начатый В.Гершелем в 1783, привел его к открытию нескольких тысяч туманностей на северном небе. Эта работа была продолжена его сыном Дж.Гершелем (1792-1871), который провел наблюдения в Южном полушарии на мысе Доброй Надежды (1834-1838) и опубликовал в 1864 Общий каталог 5 тыс. туманностей и звездных скоплений. Во второй половине 19 в. к этим объектам добавились вновь открытые, и Й.Дрейер (1852-1926) в 1888 опубликовал Новый общий каталог (New General Catalogue - NGC), включающий 7814 объектов. С публикацией в 1895 и 1908 двух дополнительных Индекс-каталогов (IC) число обнаруженных туманностей и звездных скоплений превысило 13 тыс. Обозначение по каталогам NGC и IC с тех пор стало общепринятым. Так, Туманность Андромеды обозначают либо М 31, либо NGC 224. Отдельный список 1249 галактик ярче 13-й звездной величины, основанный на фотографическом обзоре неба, составили Х. Шепли и А. Эймс из Гарвардской обсерватории в 1932. Эта работа была существенно расширена первым (1964), вторым (1976) и третьим (1991) изданиями Реферативного каталога ярких галактик Ж. де Вокулера с сотрудниками. Более обширные, но менее детальные каталоги, основанные на просмотре фотографических пластинок обзора неба были опубликованы в 1960-х годах Ф.Цвикки (1898-1974) в США и Б.А.Воронцовым-Вельяминовым (1904-1994) в СССР. Они содержат ок. 30 тыс. галактик до 15-й звездной величины. Недавно был закончен подобный обзор южного неба с помощью 1-метровой камеры Шмидта Европейской южной обсерватории в Чили и британской 1,2-метровой камеры Шмидта в Австралии. Галактик слабее 15-й звездной величины слишком много, чтобы составлять их список. В 1967 опубликованы результаты подсчета галактик ярче 19-й звездной величины (к северу от склонения -20°), проделанного Ч.Шейном и К.Виртаненом по пластинкам 50-см астрографа Ликской обсерватории. Таких галактик оказалось ок. 2 млн., не считая тех, которые скрыты от нас широкой пылевой полосой Млечного Пути. А еще в 1936 Хаббл на обсерватории Маунт-Вилсон подсчитал количество галактик до 21-й звездной величины в нескольких небольших площадках, распределенных равномерно по небесной сфере (севернее склонения -30°). По этим данным на всем небе более 20 млн. галактик ярче 21-й звездной величины.
Классификация. Встречаются галактики различных форм, размеров и светимостей; некоторые из них изолированные, но большинство имеет соседей или спутников, оказывающих на них гравитационное влияние. Как правило, галактики спокойны, но нередко встречаются и активные. В 1925 Хаббл предложил классификацию галактик, основанную на их внешнем виде. Позже ее уточняли Хаббл и Шепли, затем Сэндидж и наконец Вокулер. Все галактики в ней делятся на 4 типа: эллиптические, линзовидные, спиральные и неправильные. Эллиптические (E) галактики имеют на фотографиях форму эллипсов без резких границ и четких деталей. Их яркость возрастает к центру. Это вращающиеся эллипсоиды, состоящие из старых звезд; их видимая форма зависит от ориентации к лучу зрения наблюдателя. При наблюдении с ребра отношение длин короткой и длинной осей эллипса достигает ГАЛАКТИКИ 5/10 (обозначается E5). Линзовидные (L или S0) галактики похожи на эллиптические, но, кроме сфероидального компонента, имеют тонкий быстро вращающийся экваториальный диск, иногда с кольцеобразными структурами наподобие колец Сатурна. Наблюдаемые с ребра линзовидные галактики выглядят более сжатыми, чем эллиптические: отношение их осей достигает 2/10. Спиральные (S) галактики также состоят из двух компонентов - сфероидального и плоского, но с более или менее развитой спиральной структурой в диске. Вдоль последовательности подтипов Sa, Sb, Sc, Sd (от "ранних" спиралей к "поздним") спиральные рукава становятся толще, сложнее и менее закручены, а сфероид (центральная конденсация, или балдж) уменьшается. У спиральных галактик, наблюдаемых с ребра, спиральные рукава не видны, но тип галактики можно установить по относительной яркости балджа и диска. Неправильные (I) галактики бывают двух основных видов: магелланового типа, т.е. типа Магеллановых Облаков, продолжающие последовательность спиралей от Sm до Im, и немагелланового типа I0, имеющие хаотические темные пылевые полосы поверх сфероидальной или дисковой структуры типа линзовидной или ранней спиральной. Типы L и S распадаются на два семейства и два вида в зависимости от наличия или отсутствия проходящей через центр и пересекающей диск линейной структуры (бар), а также центральносимметричного кольца (рис. 1 и 2).
Рис. 1. ТРЕХМЕРНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ГАЛАКТИК. Основные типы: E, L, S, I располагаются последовательно от E до Im; семейства обычных A и пересеченных B; вида s и r. Круглые диаграммы внизу - сечение главной конфигурации в области спиральных и линзовидных галактик.
Рис. 2. ОСНОВНЫЕ СЕМЕЙСТВА И ВИДЫ СПИРАЛЕЙ на сечении главной конфигурации в области Sb.
Существуют и другие схемы классификации галактик, основанные на более тонких морфологических деталях, но пока еще не развита объективная классификация, основанная на фотометрических, кинематических и радиоизмерениях.
Состав. Два структурных компонента - сфероид и диск - отражают различие в звездном населении галактик, открытое в 1944 немецким астрономом В.Бааде (1893-1960). Население I, присутствующее в неправильных галактиках и в рукавах спиралей, содержит голубые гиганты и сверхгиганты спектральных классов O и B, красные сверхгиганты классов K и M, а также межзвездные газ и пыль с яркими областями ионизованного водорода. В нем присутствуют и маломассивные звезды главной последовательности, которые видны вблизи Солнца, но неразличимы в далеких галактиках. Население II, присутствующее в эллиптических и линзовидных галактиках, а также в центральных областях спиралей и в шаровых скоплениях, содержит красные гиганты от класса G5 до K5, субгиганты и, вероятно, субкарлики; в нем встречаются планетарные туманности и наблюдаются вспышки новых (рис. 3). На рис. 4 показана связь между спектральными классами (или цветом) звезд и их светимостью у различных населений.
Рис. 3. ЗВЕЗДНЫЕ НАСЕЛЕНИЯ. На фотографии спиральной галактики Туманности Андромеды видно, что в ее диске сосредоточены голубые гиганты и сверхгиганты Населения I, а центральная часть состоит из красных звезд Населения II. Видны также спутники Туманности Андромеды: галактика NGC 205 (внизу) и М 32 (вверху слева). Самые яркие звезды на этом фото принадлежат нашей Галактике.
Рис. 4. ДИАГРАММА ГЕРЦШПРУНГА - РЕССЕЛА, на которой видна связь между спектральным классом (или цветом) и светимостью у звезд разного типа. I: молодые звезды Населения I, типичные для спиральных рукавов. I': состарившиеся звезды Населения I; II: старые звезды Населения II, типичные для шаровых скоплений и эллиптических галактик.
Первоначально считалось, что эллиптические галактики содержат только Население II, а неправильные - только Население I. Однако выяснилось, что обычно галактики содержат смесь двух звездных населений в разных пропорциях. Детальный анализ населений возможен только для нескольких близких галактик, но измерения цвета и спектра далеких систем показывают, что различие их звездных населений может быть значительнее, чем думал Бааде. См. также ЗВЕЗДЫ.
Расстояние. Измерение расстояний до далеких галактик основано на абсолютной шкале расстояний до звезд нашей Галактики. Ее устанавливают несколькими методами. Наиболее фундаментальный - метод тригонометрических параллаксов, действующий до расстояний в 300 св. лет. Остальные методы косвенные и статистические; они основаны на изучении собственных движений, лучевых скоростей, блеска, цвета и спектра звезд. На их основе определяют абсолютные величины Новых и переменных типа RR Лиры и d Цефея, которые становятся первичными индикаторами расстояния до ближайших галактик, где они видны. Шаровые скопления, ярчайшие звезды и эмиссионные туманности этих галактик становятся вторичными индикаторами и дают возможность определять расстояния до более далеких галактик. Наконец, в качестве третичных индикаторов используются диаметры и светимости самих галактик. В качестве меры расстояния астрономы обычно используют разность между видимой звездной величиной объекта m и его абсолютной звездной величиной M ; эту величину (m - M) называют "видимым модулем расстояния". Чтобы узнать истинное расстояние, его необходимо исправить с учетом поглощения света межзвездной пылью. При этом ошибка обычно достигает 10-20%. Внегалактическая шкала расстояний время от времени пересматривается, а значит, меняются и прочие параметры галактик, зависящие от расстояния. В табл. 1 приведены наиболее точные на сегодня расстояния до ближайших групп галактик. До более далеких галактик, удаленных на миллиарды световых лет, расстояния оцениваются с невысокой точностью по их красному смещению (см. ниже: Природа красного смещения).
Таблица 1.
РАССТОЯНИЯ ДО БЛИЖАЙШИХ ГАЛАКТИК,ИХ ГРУПП И СКОПЛЕНИЙ
Светимость. Измерение поверхностной яркости галактики дает полную светимость ее звезд на единицу площади. Изменение поверхностной светимости с расстоянием от центра характеризует структуру галактики. Эллиптические системы, как наиболее правильные и симметричные, изучены подробнее других; в целом они описываются единым законом светимости (рис. 5,а).
Рис. 5. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СВЕТИМОСТИ У ГАЛАКТИК. а - эллиптические галактики (изображен логарифм поверхностной яркости в зависимости от корня четвертой степени из приведенного радиуса (r/re)1/4, где r - расстояние от центра, а re - эффективный радиус, внутри которого заключена половина полной светимости галактики); б - линзовидная галактика NGC 1553; в - три нормальные спиральные галактики (внешняя часть у каждой из линий прямая, что указывает на экспоненциальную зависимость светимости от расстояния).
Данные о линзовидных системах не так полны. Их профили светимости (рис. 5,б) отличаются от профилей эллиптических галактик и имеют три основных участка: ядро, линзу и оболочку. Эти системы выглядят как промежуточные между эллиптическими и спиральными. Спирали очень разнообразны, структура их сложна, и нет единого закона для распределения их светимости. Впрочем, похоже, что у простых спиралей вдали от ядра поверхностная светимость диска спадает к периферии экспоненциально. Измерения показывают, что светимость спиральных рукавов не так велика, как это кажется при рассматривании фотографий галактик. Рукава добавляют не более 20% к светимости диска в голубых лучах и значительно меньше в красных. Вклад в светимость от балджа уменьшается от Sa к Sd (рис. 5,в). Измерив видимую звездную величину галактики m и определив ее модуль расстояния (m - M), вычисляют абсолютную величину M. У самых ярких галактик, исключая квазары, M " -22, т.е. их светимость почти в 100 млрд. раз больше, чем у Солнца. А у самых маленьких галактик M " -10, т.е. светимость ок. 106 солнечной. Распределение числа галактик по M, называемое "функцией светимости", - важная характеристика галактического населения Вселенной, но аккуратно определить ее нелегко. Для галактик, отобранных до некоторой предельной видимой величины, функция светимости каждого типа в отдельности от E до Sc почти гауссова (колоколообразная) со средней абсолютной величиной в голубых лучах Mm = -18,5 и дисперсией ± 0,8 (рис. 6). Но галактики поздних типов от Sd до Im и эллиптические карлики слабее. У полной выборки галактик в заданном объеме пространства, например в скоплении, функция светимости круто растет с уменьшением светимости, т.е. количество карликовых галактик во много раз превосходит количество гигантских (рис. 6).
Рис. 6. ФУНКЦИЯ СВЕТИМОСТИ ГАЛАКТИК. а - выборка ярче некоторой предельной видимой величины; б - полная выборка в определенном большом объеме пространства. Обратите внимание на подавляющее количество карликовых систем с MB < -16.
Размер. Поскольку звездная плотность и светимость у галактик постепенно спадают наружу, вопрос об их размере фактически упирается в возможности телескопа, в его способность выделить слабое свечение внешних областей галактики на фоне свечения ночного неба. Современная техника позволяет регистрировать области галактик с яркостью менее 1% от яркости неба; это примерно в миллион раз ниже яркости ядер галактик. По этой изофоте (линии одинаковой яркости) диаметры галактик составляют от нескольких тысяч световых лет у карликовых систем до сотен тысяч - у гигантских. Как правило, диаметры галактик хорошо коррелируют с их абсолютной светимостью.
Спектральный класс и цвет. Первая спектрограмма галактики - Туманности Андромеды, полученная в Потсдамской обсерватории в 1899 Ю.Шейнером (1858-1913), своими линиями поглощения напоминает спектр Солнца. Массовое исследование спектров галактик началось с создания "быстрых" спектрографов с низкой дисперсией (200-400 /мм); позже применение электронных усилителей яркости изображения позволило повысить дисперсию до 20-100 /мм. Наблюдения Моргана на Йеркской обсерватории показали, что, несмотря на сложный звездный состав галактик, их спектры обычно близки к спектрам звезд определенного класса от A до K, причем есть заметная корреляция между спектром и морфологическим типом галактики. Как правило, спектр класса A имеют неправильные галактики Im и спирали Sm и Sd. Спектры класса A-F у спиралей Sd и Sc. Переход от Sc к Sb сопровождается изменением спектра от F к F-G, а спирали Sb и Sa, линзовидные и эллиптические системы имеют спектры G и K. Правда, позже выяснилось, что излучение галактик спектрального класса A в действительности состоит из смеси света звезд-гигантов спектральных классов B и K. Кроме линий поглощения, у многих галактик видны линии излучения, как у эмиссионных туманностей Млечного Пути. Обычно это линии водорода бальмеровской серии, например, Ha на l6563 , дублеты ионизованных азота (N II) на l6548 и 6583 и серы (S II) на l6717 и 6731, ионизованного кислорода (O II) на l3726 и 3729 и дважды ионизованного кислорода (O III) на l4959 и 5007. Интенсивность эмиссионных линий обычно коррелирует с количеством газа и звезд-сверхгигантов в дисках галактик: эти линии отсутствуют или очень слабы у эллиптических и линзовидных галактик, но усиливаются у спиральных и неправильных - от Sa к Im. К тому же интенсивность эмиссионных линий элементов тяжелее водорода (N, O, S) и, вероятно, относительное содержание этих элементов уменьшаются от ядра к периферии дисковых галактик. У некоторых галактик необычайно сильны эмиссионные линии в ядрах. В 1943 К.Сейферт открыл особый тип галактик с очень широкими линиями водорода в ядрах, указывающими на их высокую активность. Светимость этих ядер и их спектры меняются со временем. В целом ядра сейфертовских галактик похожи на квазары, хотя не так мощны.
См. также КВАЗАР. Вдоль морфологической последовательности галактик изменяется интегральный показатель их цвета (B - V), т.е. разность между звездной величиной галактики в голубых B и желтых V лучах. Средний показатель цвета основных типов галактик таков:
В этой шкале 0,0 соответствует белому цвету, 0,5 - желтоватому, 1,0 - красноватому. При детальной фотометрии обычно выясняется, что цвет галактики меняется от ядра к краю, что указывает на изменение звездного состава. Большинство галактик голубее во внешних областях, чем в ядре; у спиралей это проявляется гораздо заметнее, чем у эллиптических, поскольку в их дисках много молодых голубых звезд. Неправильные галактики, обычно лишенные ядра, нередко бывают в центре голубее, чем на краю.
Вращение и масса. Вращение галактики вокруг оси, проходящей через центр, приводит к изменению длины волны линий в ее спектре: линии от приближающихся к нам областей галактики смещаются в фиолетовую часть спектра, а от удаляющихся - в красную (рис. 7). По формуле Доплера, относительное изменение длины волны линии составляет Dl/l = Vr/c, где c - скорость света, а Vr - лучевая скорость, т.е. компонента скорости источника вдоль луча зрения. Периоды обращения звезд вокруг центров галактик составляют сотни миллионов лет, а скорости их орбитального движения достигают 300 км/с. Обычно скорость вращения диска достигает максимального значения (VM) на некотором расстоянии от центра (rM), а затем уменьшается (рис. 8). У нашей Галактики VM = 230 км/с на расстоянии rM = 40 тыс. св. лет от центра.
Рис. 7. СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЛИНИИ ГАЛАКТИКИ, вращающейся вокруг оси N, при ориентации щели спектрографа вдоль оси ab. Линия от удаляющегося края галактики (b) отклонена в красную сторону (R), а от приближающегося края (a) - в ультрафиолетовую (UV).
Рис. 8. КРИВАЯ ВРАЩЕНИЯ ГАЛАКТИКИ. Скорость вращения Vr достигает максимального значения VM на расстоянии RM от центра галактики, а затем медленно уменьшается.
Линии поглощения и линии излучения в спектрах галактик имеют одинаковую форму, следовательно, звезды и газ в диске вращаются с одинаковой скоростью в одном направлении. Когда по расположению темных пылевых полос в диске удается понять, какой край галактики расположен к нам ближе, мы можем выяснить направление закрученности спиральных рукавов: во всех изученных галактиках они отстающие, т.е., удаляясь от центра, рукав загибается в сторону, обратную направлению вращения. Анализ кривой вращения позволяет определить массу галактики. В простейшем случае, приравняв силу гравитации к центробежной силе, получим массу галактики внутри орбиты звезды: M = rVr2/G, где G - постоянная тяготения. Анализ движения периферийных звезд позволяет оценить полную массу. У нашей Галактики масса ок. 2Ч1011 солнечных масс, у Туманности Андромеды 4Ч1011, у Большого Магелланова Облака - 15Ч109. Массы дисковых галактик приблизительно пропорциональны их светимости (L), поэтому отношение M/L у них почти одинаковое и для светимости в голубых лучах равное M/L " 5 в единицах массы и светимости Солнца. Массу сфероидальной галактики можно оценить таким же образом, взяв вместо скорости вращения диска скорость хаотического движения звезд в галактике (sv), которую измеряют по ширине спектральных линий и называют дисперсией скоростей: M " Rsv2/G, где R - радиус галактики (теорема вириала). Дисперсия скоростей звезд у эллиптических галактик обычно от 50 до 300 км/с, а массы от 109 солнечных масс у карликовых систем до 1012 у гигантских. Радиоизлучение Млечного Пути было открыто К. Янским в 1931. Первую радиокарту Млечного Пути получил Г.Ребер в 1945. Это излучение приходит в широком диапазоне длин волн l или частот n = c/l, от нескольких мегагерц (l " 100 м) до десятков гигагерц (l " 1 см), и называется "непрерывным". За него ответственны несколько физических процессов, важнейший из которых - синхротронное излучение межзвездных электронов, движущихся почти со скоростью света в слабом межзвездном магнитном поле. В 1950 непрерывное излучение на волне 1,9 м было обнаружено Р.Брауном и К.Хазардом (Джодрелл-Бэнк, Англия) от Туманности Андромеды, а затем и от многих других галактик. Нормальные галактики, как наша или М 31, - слабые источники радиоволн. Они излучают в радиодиапазоне едва ли одну миллионную часть своей оптической мощности. Но у некоторых необычных галактик это излучение гораздо сильнее. У ближайших "радиогалактик" Дева А (M 87), Кентавр А (NGC 5128) и Персей А (NGC 1275) радиосветимость составляет 10-4е10-3 от оптической. А у редких объектов, таких, как радиогалактика Лебедь А, это отношение близко к единице. Лишь через несколько лет после открытия этого мощного радиоисточника удалось отыскать слабую галактику, связанную с ним. Множество слабых радиоисточников, вероятно, связанных с далекими галактиками, до сих пор не отождествлено с оптическими объектами.
См. также РАДИОАСТРОНОМИЯ; КВАЗАР. Кроме непрерывного радиоизлучения, галактики испускают узкие спектральные линии, например на волне 21 см. Эта линия принадлежит межзвездному нейтральному водороду и излучается им, когда электрон в атоме самопроизвольно поворачивает свой спин относительно спина протона. Излучение водорода на волне 21 см было предсказано в 1944 Х.ван де Хюлстом (Лейденская обсерватория, Нидерланды) и обнаружено в 1951 от Млечного Пути, а вскоре и от других галактик. Это очень важная линия, поскольку других спектральных линий у нейтрального водорода нет. Долгие годы она вообще была единственной спектральной линией в радиодиапазоне, давая возможность измерять количество газа в галактике и его движение (по доплеровскому смещению). Оказалось, что в эллиптических галактиках почти нет межзвездного газа, в линзовидных его масса ок. 0,1% массы галактики, в спиралях ок. 1-2%, а в неправильных галактиках 5-10% и даже больше. Нашлось даже несколько галактик-"призраков", целиком состоящих из газа и невидимых в оптике. Оказалось, что часть межзвездной среды, порой значительная, находится в плотных и очень холодных облаках, где большинство атомов объединено в молекулы (H2, CO, H2O, HCN, NH3 и др.), имеющие разнообразные спектральные линии. Поэтому изучение радиоспектров галактик стало очень полезным инструментом для их исследования. См. также РАДИОАСТРОНОМИЯ; МЕЖЗВЕЗДНОЕ ВЕЩЕСТВО.
Пары и группы. Галактики часто объединены в пары, триплеты и более сложные группы. Относительно редки одиночные галактики. Так, Большое и Малое Магеллановы Облака составляют двойной спутник (рис. 9) Млечного Пути. У Туманности Андромеды тоже есть спутники. Все они, в свою очередь, входят в "Местную группу" галактик (табл. 2) диаметром ок. 5 млн. св. лет и толщиной менее 2 млн. св. лет (рис. 11). В пределах 30 млн. св. лет от Местной группы обнаружено еще более дюжины подобных групп.
Таблица 2.
ГЛАВНЫЕ ГАЛАКТИКИ МЕСТНОЙ ГРУППЫ
Массы двойных галактик оценивают по разности их лучевых скоростей, считая, что их компоненты, подобно двойным звездам, движутся по эллиптическим орбитам вокруг общего центра масс. Однако орбитальные периоды галактик в парах очень велики (108-109 лет), поэтому истинную форму орбиты определить невозможно и приходится ограничиваться средними статистическими оценками массы. Обычно при этом масса пары оказывается близкой к сумме масс ее компонентов, измеренной по их внутренним движениям. Но для групп из нескольких галактик масса, полученная из теоремы вириала по дисперсии скоростей ее членов, обычно бывает больше суммарной массы всех видимых членов группы. Это расхождение называют "проблемой скрытой массы". Многие астрономы считают, что на периферии галактик и между ними действительно присутствует невидимая масса: межгалактический газ, темные звезды, черные дыры или что-то еще.
Рис. 9. БОЛЬШОЕ И МАЛОЕ МАГЕЛЛАНОВЫ ОБЛАКА - ближайшие и ярчайшие галактики, которые видны невооруженным глазом на южном небе. Они были известны арабам в 11 в. Структура Большого Облака похожа на неправильную пересеченную спираль.
Рис. 10. ГРУППА взаимодействующих галактик Квинтет Стефана.
Рис. 11. ЧЛЕНЫ МЕСТНОЙ ГРУППЫ ГАЛАКТИК в проекции на экваториальную плоскость группы.
Взаимодействие и столкновение галактик. Сближения галактик в группах приводят к их впечатляющему взаимодействию. Множество примеров такого рода обнаружили Ф. Цвикки, Х. Арп и Б. А. Воронцов-Вельяминов. Часто длинные "мосты" протягиваются между взаимодействующими галактиками, но нередко от них в разные стороны отходят "хвосты", указывая на наличие приливных эффектов. Иногда галактики соединяются внешними частями своих спиральных рукавов. Компьютерное моделирование показало, что большинство этих форм можно объяснить гравитационным взаимодействием галактик, подбирая их ориентацию и скорость сближения. Особый редкий тип взаимодействия демонстрируют кольцевые галактики без ядра (рис. 12). В одних случаях это может быть результатом лобового столкновения двух галактик (А. Туумре, Р. Линдс), в других - столкновения галактики с невидимым межгалактическим облаком (К. Фриман, Ж. де Вокулер).
Рис. 12. КОЛЬЦЕВАЯ ГАЛАКТИКА может быть результатом столкновения спиральной галактики с межгалактическим газовым облаком.
Многие пекулярные галактики типа М 82, NGC 1275, NGC 5128 (рис. 13) могли образоваться в результате взаимодействия с межгалактическим газом и пылью, но не исключены и взрывные явления в их ядрах. Большинство из них - сильные радиоисточники.
Рис. 13. ПЕКУЛЯРНАЯ РАДИОГАЛАКТИКА NGC 5128 В КЕНТАВРЕ. Плотные пылевые полосы закрывают ядро.
Облака и скопления. Галактики часто объединяются в облака эллиптической формы поперечником 10 млн. св. лет и более; ближайшее из них Местное облако. Известны также облака в Гончих Псах, Бол. Медведице, Льве, Журавле и др. Они, в отличие от скоплений, имеют малую концентрацию к центру и населены в основном спиральными и неправильными галактиками при небольшой доле линзовидных и эллиптических. Более плотные и богатые объединения, содержащие сотни и тысячи галактик, называют скоплениями. Ближайшее из них в Деве на расстоянии 40 млн. св. лет; его видимый диаметр 12° соответствует линейному диаметру 8 млн. св. лет. В нем эллиптические и линзовидные галактики сильно концентрируются к центру, а спиральные и неправильные тяготеют к периферии. Еще дальше известны более богатые скопления, например, в Волосах Вероники на расстоянии ок. 200 млн. св. лет. Обычно это скопление называют просто Coma (от Coma Berenices - Волосы Вероники). В нем более 10 тыс. галактик, половина из которых сосредоточена в центральной области диаметром 1,5°, что соответствует 5 млн. св. лет, а остальные рассеяны в области диаметром более 15 млн. св. лет. В богатых скоплениях типа Coma галактики сильно концентрируются к центру, как звезды в эллиптических галактиках. Массы скоплений определяют так же, как массы галактик: по дисперсии скоростей их членов, используя теорему вириала. В богатых скоплениях дисперсия скоростей галактик порядка 1000 км/с, а их массы 1014-1015 солнечных. Это заметно превышает суммарную массу галактик скопления, т.е. вновь приводит к парадоксу скрытой массы. Некоторая часть этой массы связана с горячим межгалактическим газом, заполняющим богатые скопления и проявляющим себя рентгеновским излучением. Возможно, какая-то часть массы связана с карликовыми галактиками и отдельными "межгалактическими" звездами. Но все это не решает парадокса скрытой массы: основной ее источник до сих пор не найден.
Сверхскопления. Тенденцию галактик скучиваться в группы, облака и скопления все большего размера можно проследить по крайней мере еще на одну ступень: эти агрегаты объединяются в гигантские системы - сверхскопления галактик. На существование "Местного сверхскопления" впервые было указано Ж.де Вокулером в 1953 (хотя еще в 1937 Э. Холмберг на основании подсчетов галактик на небе отмечал, что наша Галактика входит в "метагалактическое" облако, имеющее плотность выше средней). Несколько тысяч ярких галактик и множество слабых образуют сверхсистему эллипсоидальной формы, в центре которой скопление в Деве. Диаметр сверхскопления 100 млн., а толщина 30-40 млн. св. лет. Местная группа, включающая нашу Галактику, оказалась маленьким уплотнением невдалеке от южного края Местного сверхскопления. С нашего периферийного места хорошо видно, что большинство галактик сконцентрировано к плоскости сверхгалактического экватора, широкой полосой пересекающей наш северный небосвод. Из анализа лучевых скоростей сотен галактик выясняется, что сверхскопление вращается вокруг оси, перпендикулярной его диску, и напоминает в этом смысле обычную галактику. Скорость движения Местной группы вокруг центра сверхгалактики ок. 400 км/с, а период обращения порядка 1011 лет. Но, кроме вращения вокруг оси, Местное сверхскопление испытывает расширение, немного замедленное по сравнению с общим хаббловским расширением Вселенной за счет взаимного притяжения галактик, пространственная плотность которых внутри сверхскопления выше, чем вокруг него. Полная масса нашего сверхскопления порядка 1015 солнечных. Концепция Местного сверхскопления некоторое время развивалась обособленно от общих взглядов на крупномасштабную структуру Вселенной. Но факты о крупных неоднородностях в распределении галактик постепенно накапливались. Еще Х.Шепли (1885-1972) из Гарвардской обсерватории в 1930-е годы привлек внимание к двойным и тройным скоплениям галактик. В 1950-е годы К.Шайн с коллегами из Ликской обсерватории показал, что это явление распространенное. Статистический анализ ликских подсчетов слабых